Jak vznikly ve vesmíru první chemické prvky ?

Dnešní blog potěší hlavně chemiky. Odkud pochází ve vesmíru první chemické prvky, ze kterých se pak vytvořily všechny ostatní? (délka blogu 3 min.)

^{Ilustrace: Zdroj: D. Tenzler}

Když se řekne „počátek vesmíru“, většina z nás si představí obrovský výbuch a následující rychlé rozpínání prostoru. Stejně fascinující jsou ale procesy, které následovaly v prvních minutách po Velkém třesku. Právě tehdy vznikla první atomová jádra – a tím i základní stavební kameny veškeré hmoty, kterou dnes ve vesmíru pozorujeme. Proces, při kterém vzniklo několik prvních chemických prvků, byl pojmenován primordiální nukleosyntéza.

Jak probíhala primordiální nukleosyntéza?

Podle dnes platné kosmologické teorie začala syntéza chemických prvků přibližně jednu setinu vteřiny po Velkém třesku. Vesmír se v té době ochladil natolik, že volné kvarky mohly začít kondenzovat do protonů a neutronů.

Protony jsou dnes známé jako stavební jednotky atomového jádra vodíku, zatímco neutrony slouží k tvorbě složitějších jader. Oba typy částic přitom vznikaly v poměru 1:1.

Zhruba sekundu po Velkém třesku se pak od hmoty oddělila neutrina - lehké a málo interagující částice. Proběhla také anihilace částic, kterým dnes říkáme elektrony a pozitrony.

Pokles teploty vesmíru na zhruba 600 milionů Kelvinů umožnil prvním protonům a neutronům spojit se do jader deuteria.

Deuterium je těžký izotop vodíku, který se skládá z jednoho protonu a jednoho neutronu. Toto jádro je nezbytné ke vzniku dalších a ještě těžších atomových jader. Vědci ho dokonce nazývají základním kamenem nukleosyntézy – bez něj by nebyla možná žádná jaderná fúze těžších chemických prvků.

Byl tu ovšem problém. Vesmír byl v této fázi tak horký, že fotony (částice světla, které tou dobou měly velmi vysokou energii) často jádra deuteria ihned rozbíjely. Teprve když se vesmír ještě více ochladil, stala se jádra deuteria dostatečně stabilní. Došlo k tomu až zhruba 1 minutu po Velkém třesku.

Vzhledem k tomu, že volné neutrony nejsou stabilní (jejich poločas rozpadu je asi 15 minut), klesal dále poměr neutronů k protonům na hodnotu kolem 1:7.

Drtivá většina těchto zbývajících volných neutronů byla zabudována do jader helia-4. Díky vysoké stabilitě tohoto jádra neprobíhala syntéza dalších prvků a helium-4 zůstalo téměř nedotčeno. Jen v malém množství vznikaly atomy lithia-7.

Jen několik málo chemických prvků

V první fázi vývoje chemických prvků tedy vznikl vodík - nejjednodušší a nejběžnější prvek. Vodík tvoří asi 75 % hmoty vesmíru. Z 25 % hmoty vzniklo helium. V malém množství vznikl také těžší izotop vodíku - tritium a izotop helia-3. Nejtěžším prvkem, který se dá vysledovat, bylo lithium-7, který ovšem vznikal jen ve stopovém množství.

Zbylé volné neutrony brzy zanikly a nestabilní tritium se rozpadalo ještě několik desetiletí.

Už po přibližně 5 minutách od Velkého třesku se pak vesmír ochladil natolik, že jaderné reakce ustaly. Zastoupení lehkých prvků, které se během této krátké fáze vytvořilo, zůstalo zafixováno a dodnes je měřitelné v celém vesmíru.

Lithiový problém

Teorie tedy předpovídá, že zhruba 75% hmoty vesmíru tvoří vodík (vytvořený volnými protony) a 25% helium. Tento poměr se mimo jiné shoduje s pozorováním nejstarších hvězd i měřeními mimo naši Galaxii. Také relativní množství deuteria a helia-3 odpovídá předpovědím. Výjimkou je lithium. Množství lithia-7 pozorovaného ve starých hvězdách je 2 - 3 krát menší, než předpovídají teoretické modely. Jev dostal název primordiální lithiový problém. Záhada pořád ještě čeká na vysvětlení.

Vědci v současnosti zkoumají několik variant. Lithium se během hvězdného vývoje mohlo zničit reakcemi ve hvězdách. Jiné vysvětlení předpokládá, že jsme špatně odhadli reakční rychlost při tvorbě lithia. Některé teorie naznačují, že lithium mohlo být ovlivněno částicemi temné hmoty nebo jinými dosud neznámými procesy. V budoucnosti se možná ještě dočkáme překvapení a nových teorií, které lithiový problém vysvětlí.